CN109519968A - 一种高压可视化燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压可视化燃烧器，包括燃烧器头部、外壳体和内筒，内筒安装于外壳体内，燃烧器头部安装于外壳体和内筒的进气端处，内筒和外壳体之间为外腔室，内筒内为燃烧室；外壳体靠近内筒的出气口端处设有空气进口，燃烧器头部设有喉部空气进口，燃烧器头部与内筒连接处留有喉部狭缝空气流道，内筒中段设有掺混空气进口，内筒出气口端与外壳体之间留有尾部狭缝空气流道；靠近内筒的进气口端的筒壁上设有连接引压管的引压孔；外壳体的进气口端处附近设置有可视装置；本发明可实现燃料和空气在高压条件下的燃烧；通过弹性支撑和冷却措施，保证燃烧器内筒强度和接配要求；经过成像设计,实现高压条件下燃烧过程的可视化监测功能。
Description
技术领域
本发明属于燃烧器结构的技术领域，特别是一种高压可视化燃烧器。
背景技术
高压燃烧器作为关键部件之一，应用于各种热能动力设备，例如燃气轮机、高压燃气锅炉、高压燃气发生器。高压燃烧器主要包括燃烧器壳体、燃烧器烧嘴、燃烧室等部分，通过合理组织氧化剂(空气或氧气)和燃料（天然气、燃油、合成气等）的流动和掺混过程，形成燃烧过程分布的空腔，并通过合理的掺混冷却设计，最终形成满足设计要求的高温高压烟气，为动力涡轮等设备提供高温高压气源。燃烧器的性能指标包括燃烧效率、使用寿命、燃烧稳定性、污染物排放等。燃烧过程是一个流动、掺混和化学反应耦合的过程，影响因素复杂，对燃烧器的工艺和结构设计要求较高。燃烧器的设计一般是基于大量的设计经验确定燃烧器的总体方案，结合CFD仿真，设计燃烧器的结构，最终通过大量的实验测试，对燃烧器结构进行优化和定型。
在燃烧器开发过程中，需要解决两个技术问题，
（1）燃烧室的冷却和强度问题。燃烧室提供燃烧过程的空腔，空腔内温度和压力都很高，工作环境恶劣。如果将以天然气为燃料的燃气轮机燃烧室为例，当量下火焰锋面温度可以达到2600K。即便现在普遍采用的贫预混燃烧技术，燃烧区的温度也普遍在1900K以上。目前燃烧筒的设计方案普遍采用燃烧筒分层设计，燃烧器分为内外筒：内筒采用加了高温涂层的耐高温合金材料，并通过合理的冷却设计，用来承受高温；外筒则设计壁厚较大，用来承受高压。即便采用该方案，燃烧室的设计和运行依然存在很大挑战。高温合金的耐受温度一般不超过900℃，采用该方案对冷却设计提出了很高要求，不合理的设计或工况波动都可能影响燃烧室的运行安全。
（2）燃烧器测试和运行过程中的火焰监测问题。因为燃烧过程的复杂性，设计经验和数值仿真往往只能起到辅助作用，最终还需要经过大量的燃烧测试和优化过程，才能完成燃烧室结构的定型。燃烧器能否满足设计要求，很大程度上取决于烧嘴对燃烧的组织过程合理与否。燃烧过程是一个发光的过程，通过可视化测量手段，监测火焰结构，是获得燃烧过程信息，评估燃烧组织效果的最简便、最直接和最准确的手段。
目前已有的高压燃烧器方案，均采用金属材料制造，类似一个黑匣子，具有光学屏蔽性。高压条件下的燃烧试验，往往侧重于压力、温度、NOx排放等可以反映燃烧器性能指标的参数测量，而对燃烧过程本身监测手段很少。因此发展一种高压条件下火焰监测手段和装置，对于了解燃烧组织过程，监测燃烧器运行状态，优化燃烧器设计方案有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压可视化燃烧器，利用该燃烧器可以合理组织燃烧过程，实现燃料和空气在高压条件下的燃烧；选用耐高温材料设计燃烧器内筒，可以承受更高的温度，减小燃烧器对燃烧室冷却设计难度；通过合理的弹性支撑设计和有效的冷却措施，保证燃烧器内筒强度和接配要求；选取石英作为内筒的材料，并经过合理的成像设计，实现高压条件下，燃烧过程的可视化监测功能。
本发明的技术方案为：
一种高压可视化燃烧器，包括燃烧器外壳体、燃烧器内筒和燃烧器头部，其特征在于：燃烧器内筒与燃烧器外壳体形状匹配，燃烧器内筒安装于燃烧器外壳体内，燃烧器头部插入安装于燃烧器外壳的进气口端和燃烧器内筒的进气端处，燃烧器内筒和燃烧器外壳体之间形成外腔室，燃烧器内筒内为燃烧室；所述燃烧器外壳体出气口端靠近燃烧器内筒的出气口端处设置有空气进气管，空气进气管的端部为空气进口，燃烧器头部对称设置有与外腔室连通的喉部空气进口，燃烧器头部与燃烧器内筒的连接处留有喉部狭缝空气流道，燃烧器内筒的筒壁中段对称设置有与外腔室连通的掺混空气进口，燃烧器内筒的出气口端与燃烧器外壳体之间对称留有尾部狭缝空气流道，尾部狭缝空气流道的存在，有助于避免燃烧器内筒和燃烧器外壳体之间热膨胀不同造成的接触应力；靠近燃烧器内筒的进气口端的筒壁上开设有引压孔，引压孔连接引压管，引压管穿过燃烧器外壳体，燃烧器内整体的空气和燃料掺混合理；燃烧器外壳体靠近进气口端处设置有可视装置，从而可以实现可视化监测燃烧器内燃烧过程的目的。
所述燃烧器内筒为石英材质。
所述燃烧器头部通过法兰和燃烧器外壳体的进气端连接。
所述燃烧器头部包括燃料进气管、头部空气腔室和烧嘴，燃料进气管轴向安装于头部空气腔室的中间，并与烧嘴连通；所述喉部空气进口设置于头部空气腔室的室壁上。
在燃烧器内筒进气口与燃烧器头部之间，燃烧器内筒的进气口内壁面对称设计有头部凸台，燃烧器头部外壁面对称设计有对应头部凸台的头部弹簧片，通过头部弹簧片与头部凸台的接触，可以实现燃烧器头部和燃烧器内筒的弹性连接。进一步的，可以沿燃烧器的轴向中心对称设计多个头部弹簧片及头部凸台，可相对燃烧器内筒的径向固定。
对应燃烧器内筒出气口端处的燃烧器外壳体上安装有尾部固定螺钉，尾部固定螺钉的端部设计有尾部弹簧片，对应尾部弹簧片的位置，燃烧器内筒的外筒壁面设置有对应的尾部凸台，通过尾部弹簧片和尾部凸台的接触，对燃烧器内筒尾部起到弹性支撑的作用。进一步的，可以沿燃烧器的轴向中心对称设计多个尾部固定螺钉及对应的尾部凸台，可相对燃烧器内筒的径向固定。
利用前后两个弹性支撑的作用，实现对燃烧器内筒的轴向方向固定。通过以上连接方式，实现燃烧器外壳体、燃烧器头部、烧嘴和燃烧器内筒之间的相对位置固定。
所述尾部固定螺钉与燃烧器外壳体之间设置有尾部螺钉密封片,起密封作用。
所述引压管的一端插入引压孔中，引压管的直径小于引压孔，二者之间形成引压孔狭缝空气流道。所述引压管的另一端伸出燃烧器外壳体，通过一个管接头，与一个半无限长管连接。进一步的，所述半无限长管为一段较长的管子，用来减少管道谐振波对压力波动测量的影响。
所述引压管通过法兰与燃烧器外壳体固定连接，密封处设计有引压管密封片，保证连接密封。所述引压管在燃烧器外壳体外侧的部分设计有压力波动传感器安装座，用于安装压力波动传感器。所述压力波动传感器测量得到的压力波动信号可以输入给外部动态信号采集装置，用以监测燃烧室内的压力波动。
所述燃烧室外壳体在正对火焰的位置处开设有光学监测窗口，可视装置安装于光学监测窗口处。
所述可视装置包括广角成像透镜、透镜压板和图像监测装置，其中，燃烧器外壳体上开设有透镜固定槽，广角成像透镜安装于透镜固定槽内，通过透镜压板压紧。所述广角成像透镜与透镜固定槽、广角成像透镜与透镜压板、透镜压板与外壳体之间都安装有透镜密封材料，保证密封效果和避免刚性接触。所述广角成像透镜的外侧可以布置图像监测装置，图像监测装置可以是CCD、CMOS等图像接受设备，也可以是光电倍增管等光电转换装置，用以监测火焰图像或光学信号。
本发明的工作原理如下：
空气从空气进口经空气进气管进入燃烧器外壳体，之后大部分空气沿夹层空气流道逆流至喉部空气进口，并进入头部空气腔室，在此过程中对燃烧器内筒形成对流冷却。燃烧器内筒可以在1100℃长期工作，再加上一定的冷却设计，可以保证燃烧器内筒的工作可靠性。燃料从燃料进口中进入燃料进气管。空气和燃料最终进入烧嘴，经过烧嘴的组织作用，在燃烧器内筒中形成可以稳定燃烧的流动和燃料分布场，并形成稳定的火焰。夹层空气流道的部分空气从掺混空气进口中进入燃烧器内筒，对燃烧形成的高温烟气进行冷却掺混，最终在燃烧器出口处形成满足温度要求的高温高压烟气。
所述夹层空气流道中空气压力要略高于石英的燃烧器内筒的压力，因此夹层空气流道中的少部分空气分别从尾部狭缝空气流道、喉部狭缝空气流道以及引压孔狭缝空气流道进入燃烧器内筒中，这避免了高温烟气的回流，有助于保护燃烧器外壳体、头部弹簧片、尾部弹簧片以及引压管等装置。
燃烧过程中可能会产生燃烧振荡、熄火以及回火等问题，这些过程都会诱发压力波动。通过引压管将压力波动引出，经过传感器的测量，可以将压力波动信号转化为电信号，进行分析，可以用于监测燃烧稳定状况，并作为采取进一步控制措施的依据。广角成像透镜正对火焰，燃烧器内筒具有良好的光学通过性，因此可以全方位地监测火焰的结构特征，由图像监测装置记录和分析，从而获得真实、全面和直观燃烧过程信息。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明可以很好地组织流动和掺混过程，实现空气和燃料在高压条件下的燃烧，并借助掺混冷却设计，保证出口烟气温度满足设计要求。
（2）本发明为双层结构，外侧燃烧室壳体为金属材料，处于低温环境，具有良好的强度和可加工性，可以承受高压；内侧石英燃烧筒提供燃烧的空腔，内外压差较小，可以承受很高的温度，对冷却要求较低。
（3）本发明还设计了冷却措施，利用对流冷却、气膜冷却等方式，对石英燃烧室和关键部位形成有效地冷却保护。
（4）通过燃烧器内筒和燃烧室壳体的弹性连接设计，实现二者可靠连接，保证了装配、局部热膨胀和发生振动时，石英的燃烧器内筒的安全。
（5）燃烧器内筒全石英材料设计，对火焰荧光具有良好的通过性；并借助一个正对火焰的广角成像透镜和图像监测装置，可以实现高压燃烧条件下，对火焰状态的直观、全面和准确的监测。
（6）本发明还设置了压力波动测点，通过对压力波动的监测，可以进一步监测燃烧过程中的火焰不稳定状态，了解燃烧过程信息，并为燃烧运行控制提供依据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的前弹簧支撑局部结构的示意图。
图3为本发明的后弹簧支撑局部结构的示意图。
图4为本发明的压力波动测点局部结构的示意图。
图5为本发明的光学监测窗口局部结构的示意图。
其中，附图标记为：10火焰，11燃料进口，12空气进口，13夹层空气流道，14掺混空气进口，15尾部狭缝空气流道，16喉部空气进口，17喉部狭缝空气流道，18高温烟气出口，19外腔室，20头部空气腔室，21引压孔狭缝空气流道，201燃烧器外壳体，202燃烧器头部，203头部密封片，204燃料进气管，205烧嘴，206燃烧器内筒，207空气进气管，208尾部固定螺钉，209尾部螺钉密封片，210头部弹簧片，211头部凸台，212尾部凸台，213尾部弹簧片，214透镜固定槽，31引压管，32引压管法兰，33引压管密封片，34管接头，35半无限长管，36压力波动传感器，37压力波动传感器安装座，38引压孔，39广角成像透镜，40图像监测装置，41透镜压板，42透镜密封材料。
具体实施方式
如图1所示，一种高压可视化燃烧器，包括燃烧器外壳体201、燃烧器内筒206和燃烧器头部202，燃烧器内筒206与燃烧器外壳体201形状匹配，燃烧器内筒206安装于燃烧器外壳体201内，燃烧器头部202插入安装于燃烧器外壳的进气口端和燃烧器内筒206的进气端处，燃烧器内筒206和燃烧器外壳体201之间形成外腔室19，燃烧器内筒206内为燃烧室，所述燃烧器内筒206为石英材质。
所述燃烧器外壳体201出气口端靠近燃烧器内筒206的出气口端处设置有空气进气管207，空气进气管207的端部为空气进口12，燃烧器头部202对称设置有与外腔室19连通的喉部空气进口16，燃烧器头部202与燃烧器内筒206的连接处留有喉部狭缝空气流道17，燃烧器内筒206的筒壁中段对称设置有与外腔室19连通的掺混空气进口14，燃烧器内筒206的出气口端与燃烧器外壳体201之间对称留有尾部狭缝空气流道15，尾部狭缝空气流道15的存在，有助于避免燃烧器内筒206和燃烧器外壳体201之间热膨胀不同造成的接触应力；靠近燃烧器内筒206的进气口端的筒壁上开设有引压孔38，引压孔38连接引压管31，引压管31穿过燃烧器外壳体201，燃烧器内整体的空气和燃料掺混合理；燃烧器外壳体201靠近进气口端处设置有可视装置，从而可以实现可视化监测燃烧器内燃烧过程的目的。
所述燃烧器头部202通过法兰和燃烧器外壳体201的进气端连接，燃烧器头部202与燃烧器外壳201之间设置有头部密封片203。
所述燃烧器头部202包括燃料进气管204、头部空气腔室20和烧嘴25，燃料进气管204轴向安装于头部空气腔室20的中间，并与烧嘴25连通；所述喉部空气进口16设置于头部空气腔室20的室壁上。
如图2所示，在燃烧器内筒206进气口与燃烧器头部202之间，设计有前弹簧支撑局部结构。具体是，在燃烧器内筒206的进气口内壁面对称设计有头部凸台211，燃烧器头部202外壁面对称设计有对应头部凸台211的头部弹簧片210，通过头部弹簧片210与头部凸台211的接触，可以实现燃烧器头部202和燃烧器内筒206的弹性连接。进一步的，可以沿燃烧器的轴向中心对称设计多个头部弹簧片210及头部凸台211，可相对燃烧器内筒206的径向固定。
如图3所示，设计有后弹簧支撑局部结构，具体是：对应燃烧器内筒206出气口端处的燃烧器外壳体201上安装有尾部固定螺钉208，尾部固定螺钉208的端部设计有尾部弹簧片213，对应尾部弹簧片213的位置，燃烧器内筒206的外筒壁面设置有对应的尾部凸台212，通过尾部弹簧片213和尾部凸台212的接触，对燃烧器内筒206尾部起到弹性支撑的作用。进一步的，可以沿燃烧器的轴向中心对称设计多个尾部固定螺钉208及对应的尾部凸台212，可相对燃烧器内筒206的径向固定。
利用前后两个弹性支撑的作用，实现对燃烧器内筒206的轴向方向固定。通过以上连接方式，实现燃烧器外壳体201、燃烧器头部202、烧嘴25和燃烧器内筒206之间的相对位置固定。
所述尾部固定螺钉208与燃烧器外壳体201之间设置有尾部螺钉密封片209,起密封作用。
如图4所示，本发明的压力波动测点局部结构，具体是所述引压管31的一端插入引压孔38中，引压管31的直径略小于引压孔38，二者之间形成引压孔38狭缝空气流道21。所述引压管31的另一端伸出燃烧器外壳体201，通过一个管接头34，与一个半无限长管35连接。进一步的，所述半无限长管35为一段较长的管子，用来减少管道谐振波对压力波动测量的影响。
所述引压管31通过引压管法兰32与燃烧器外壳体201固定连接，密封处设计有引压管密封片33，保证连接密封。所述引压管31在燃烧器外壳体201外侧的部分设计有压力波动传感器安装座37，用于安装压力波动传感器36。所述压力波动传感器36测量得到的压力波动信号可以输入给外部动态信号采集装置，用以监测燃烧室内的压力波动。
所述燃烧室外壳体在正对火焰10的位置处开设有光学监测窗口，可视装置安装于光学监测窗口处。
如图5所示，本发明的光学监测窗口局部结构，具体是：所述可视装置包括广角成像透镜39、透镜压板41和图像监测装置40，其中，燃烧器外壳体201上开设有透镜固定槽214，广角成像透镜39安装于透镜固定槽214内，通过透镜压板41压紧。所述广角成像透镜39与透镜固定槽214、广角成像透镜39与透镜压板41、透镜压板41与外壳体之间都安装有透镜密封材料42，保证密封效果和避免刚性接触。所述广角成像透镜39的外侧可以布置图像监测装置40，图像监测装置40可以是CCD、CMOS等图像接受设备，也可以是光电倍增管等光电转换装置，用以监测火焰图像或光学信号。
本发明的工作原理如下：
空气从空气进口12经空气进气管207进入燃烧器外壳体201，之后大部分空气沿夹层空气流道13逆流至喉部空气进口16，并进入头部空气腔室20，在此过程中对燃烧器内筒206形成对流冷却。燃烧器内筒206可以在1100℃长期工作，再加上一定的冷却设计，可以保证燃烧器内筒206的工作可靠性。燃料从燃料进口11中进入燃料进气管204。空气和燃料最终进入烧嘴25，经过烧嘴25的组织作用，在燃烧器内筒206中形成可以稳定燃烧的流动和燃料分布场，并形成稳定的火焰10。夹层空气流道13的部分空气从掺混空气进口14中进入燃烧器内筒206，对燃烧形成的高温烟气进行冷却掺混，最终在燃烧器出口处形成满足温度要求的高温高压烟气，高温高压烟气从燃烧器出口处的高温烟气出口18排出。
所述夹层空气流道13中空气压力要略高于石英的燃烧器内筒206的压力，因此夹层空气流道13中的少部分空气分别从尾部狭缝空气流道15、喉部狭缝空气流道17以及引压孔38狭缝空气流道21进入燃烧器内筒206中，这避免了高温烟气的回流，有助于保护燃烧器外壳体201、头部弹簧片210、尾部弹簧片213以及引压管31等装置。
燃烧过程中可能会产生燃烧振荡、熄火以及回火等问题，这些过程都会诱发压力波动。通过引压管31将压力波动引出，经过传感器的测量，可以将压力波动信号转化为电信号，进行分析，可以用于监测燃烧稳定状况，并作为采取进一步控制措施的依据。广角成像透镜39正对火焰10，燃烧器内筒206具有良好的光学通过性，因此可以全方位地监测火焰10的结构特征，由图像监测装置40记录和分析，从而获得真实、全面和直观燃烧过程信息。
Claims (10)
1.一种高压可视化燃烧器，包括燃烧器外壳体（201）、燃烧器内筒（206）和燃烧器头部（202），其特征在于：燃烧器内筒（206）与燃烧器外壳体（201）形状匹配，燃烧器内筒（206）安装于燃烧器外壳体（201）内，燃烧器头部（202）插入安装于燃烧器外壳体（201）的进气口端和燃烧器内筒（206）的进气端处，燃烧器内筒（206）和燃烧器外壳体（201）之间形成外腔室（19），燃烧器内筒（206）内为燃烧室；所述燃烧器外壳体（201）出气口端靠近燃烧器内筒（206）的出气口端处设置有空气进气管（207），空气进气管（207）的端部为空气进口（12），燃烧器头部（202）对称设置有与外腔室（19）连通的喉部空气进口（16），燃烧器头部（202）与燃烧器内筒（206）的连接处留有喉部狭缝空气流道（17），燃烧器内筒（206）的筒壁中段对称设置有与外腔室（19）连通的掺混空气进口（14），燃烧器内筒（206）的出气口端与燃烧器外壳体（201）之间对称留有尾部狭缝空气流道（15）；靠近燃烧器内筒（206）的进气口端的筒壁上开设有引压孔（38），引压孔（38）连接引压管（31），引压管（31）穿过燃烧器外壳体（201），燃烧器内整体的空气和燃料掺混；燃烧器外壳体（201）靠近进气口端处设置有可视装置，从而可以实现可视化监测燃烧器内燃烧过程的目的。
2.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧器内筒（206）为石英材质。
3.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧器头部（202）通过法兰和燃烧器外壳体（201）的进气端连接，燃烧器头部（202）与燃烧器外壳（201）之间设置有头部密封片（203）。
4.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧器头部（202）包括燃料进气管（204）、头部空气腔室（20）和烧嘴（25），燃料进气管（204）轴向安装于头部空气腔室（20）的中间，并与烧嘴（25）连通；所述喉部空气进口（16）设置于头部空气腔室（20）的室壁上。
5.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：在燃烧器内筒（206）进气口与燃烧器头部（202）之间，燃烧器内筒（206）的进气口内壁面对称设计有头部凸台（211），燃烧器头部（202）外壁面对称设计有对应头部凸台（211）的头部弹簧片（210），通过头部弹簧片（210）与头部凸台（211）的接触；沿燃烧器的轴向中心对称设计多个头部弹簧片（210）及头部凸台（211）。
6.根据权利要求1或5所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：对应燃烧器内筒（206）出气口端处的燃烧器外壳体（201）上安装有尾部固定螺钉（208），尾部固定螺钉（208）的端部设计有尾部弹簧片（213），对应尾部弹簧片（213）的位置，燃烧器内筒（206）的外筒壁面设置有对应的尾部凸台（212），通过尾部弹簧片（213）和尾部凸台（212）的接触；沿燃烧器的轴向中心对称设计多个尾部固定螺钉（208）及对应的尾部凸台（212）。
7.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述尾部固定螺钉（208）与燃烧器外壳体（201）之间设置有尾部螺钉密封片（209）。
8.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述引压管（31）的一端插入引压孔（38）中，引压管（31）的直径小于引压孔（38），二者之间形成引压孔（38）狭缝空气流道（21）；所述引压管（31）的另一端伸出燃烧器外壳体（201），通过一个管接头（34），与一个半无限长管（35）连接。
9.根据权利要求8所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述引压管（31）通过引压管法兰（32）与燃烧器外壳体（201）固定连接，密封处设计有引压管密封片（33）；所述引压管（31）在燃烧器外壳体（201）外侧的部分设计有压力波动传感器安装座（37），用于安装压力波动传感器（36）；所述压力波动传感器（36）测量得到的压力波动信号输入给外部动态信号采集装置，用以监测燃烧室内的压力波动。
10.根据权利要求1所述的一种高压可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧室外壳体在正对火焰(10)的位置处开设有光学监测窗口，可视装置安装于光学监测窗口处；所述可视装置包括广角成像透镜（39）、透镜压板（41）和图像监测装置（40），其中，燃烧器外壳体（201）上开设有透镜固定槽（214），广角成像透镜（39）安装于透镜固定槽（214）内，通过透镜压板（41）压紧；所述广角成像透镜（39）与透镜固定槽（214）、广角成像透镜（39）与透镜压板（41）、透镜压板（41）与外壳体之间都安装有透镜密封材料（42）；所述广角成像透镜（39）的外侧布置有图像监测装置（40），图像监测装置（40）是CCD或CMOS图像接受设备。
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